|
Потоки
|
кВт
|
%
|
|
Q3
|
3168
|
88
|
|
Q4
|
180
|
5
|
|
Q5
|
247
|
7
|
|
Итого
|
3595
|
100
|
Задача 5
В реакторе
протекает реакция: : А+В R . Определить степень превращения ХА и ХВ,
при условии А и В взяты в стехиометрическом соотношении; если вещества В в 2
раза больше ( то есть 2 моля вещества на 1 моль вещества А); если вещества В в
3 раза больше.
1 Определим
степень превращения, если реагенты взяты в стехиометрическом соотношении
Принимаем: 
моль
,
моль
По условию
известно, что 
Можно
определить степень превращения вещества А:
; 
Поскольку
вещества А и В взяты в стехиометрическом соотношении, то 
,
Можно
определить степень превращения вещества В:
;
2 Определим
если в 2 раза больше
По условию
известно, что , 
Можно
определить степень превращения вещества А:
Поскольку
реагирует половина вещества А, то 
Можно
определить степень превращения вещества В:
3 Определим
если в 3 раза больше
По условию
известно, что , 
Можно
определить степень превращения вещества А:
Поскольку
реагирует половина вещества А, то 
Можно
определить степень превращения вещества В:
Задача
6
Определить состав
смеси и степень превращения для реакции: А+2В 2R+S. Если 
;
;
.
Определить 
1
Степень превращения реагента В можно определить следующим образом:
;
;
2
Концентрацию реагента А можно определить следующим образом:
3
Концентрацию реагента В можно определить следующим образом:
4
Из стехиометрических коэффициентов определим 
:
Задача
7
Определить
Х SO2
в реакции 2SO2 +
O2 → 2SO3,
если реакционная смесь имеет состав в начале процесса [% (об.)]: С SO2-7,5;
С O2-10,3;
С N2-82,2.
Содержание SO2
в конце процесса равна 2,5% об.
Замечание:
1.
реакция протекает с уменьшением объема, следовательно,
необходимо учитывать
- относительное изменение
объема реакционной смеси.
2.
формализуем задачу, т.е. переведем ее в привычные понятия:
аА+вВ
rR,
где
а=2 в=1 r=2
СА.0=7,5%
об. СА.е=2,5% об. СВ.0=10,3% об.
3.
реагенты взяты не в стехиометрическом соотношении, т.е. О2
в избытке.
4.
в реакционной смеси присутствует балластный азот, т.е. для
окисления используется О2 воздуха.
1 Определим
относительные изменения объема
,
где
- первоначальный объем смеси
- объем смеси в конце
реакции.
Отношение
определим по формуле [2,с.22]:
,
где
β – доля стехиометрической смеси исходных реагентов в реакционной смеси.
В
нашем случае
,
.
.
.
2 Определим
равновесные степени превращения по формуле [2, с.22]:
;
.
Задача
8
В реакторе протекает
реакция: А+2В 2R+S. Начальные количества 
; 
. В реакционной смеси, выходящей из
реактора 
.
Известно, что в равновесной смеси содержится 
. Определить выход продукта 
.
1
Выход продукта можно определить из следующего соотношения:
2
Степень превращения реагента А можно определить следующим образом:
;
3
Равновесную степень превращения реагента А можно определить из выражения:
;
4
Определим выход продукта:
Задача
9
Определить
необходимое время пребывания τ в РИС-П для достижения ХА =
0,9.В реакторе проводится изотермическая необратимая реакция второго порядка,
реактор заполнен частично веществом А, мольная масса 110кг/кмоль, плотность
исходного раствора и продукта 1100кг/м3 и1320кг/м3,
константа химической реакции К =0,8м3/моль ч.
Задачу
решаем двумя способами без учета плотности и с учетом плотности.
1
Определим τрис-п без учета изменений плотности:
1.1
Изобразим схему расчета:
Рисунок
5 - Расчетная схема
2
Определим τрис-п с учетом изменения плотности( объема):
Рисунок
6 - Схема расчета
2.2
Определим степень изменения объема :
[мет. 2 с.30]
Принимаем
, что объем и плтности взаимосвязаны следующим образом.
где
это объем и плотность смеси в данный, 
объем и плотность в начальный момент
времени.
По
условию, если ХА =1, то 
2.3
Определим СА.О:
2.4
Определим концентрацию СА :
Примечание:
задачу решаем в общем виде.
2.5
Определим скорость химической реакции:
2.6
Определим τрис-п :
Подставим
значение скорости 
и
получим:
Проинтегрируем
и получим:
Подставим
численные значения:
Задача
10
Рассчитать объём
реактора идеального вытеснения (РИВ) при проведении в нём реакции: А R+SО.
Условия:
1
Объёмный расход исходного компонента 
;
2
Начальная концентрация 
;
3
Константа скорости химической реакции 
4
Степень превращения 
.
Примечания:
1
Данная реакция второго порядка (это следует из уравнения реакции и размерности
константы скорости химической реакции);
2
Размерность величин переведём в систему СИ , так как объёмный расход и
константа скорости химической реакции приведены в разных размерностях.
Рассчитаем
объём реактора идеального вытеснения:
;
.
Задача
11
Определить
какое количество вещества А можно переработать в РИС-П за сутки при проведении
реакции : 
, если
объём
РИС-П 
;
степень
превращения 
;
константа
скорости реакции 
;
начальная
концентрация реагента А 
;
коэффициент
заполнения реактора ψ=0,8;
время
загрузки и выгрузки за одну операцию 30 мин;
1
Изобразим алгоритм расчета на схеме:
Рисунок
7 – Алгоритм решения
2
Определим 
3
Определим 
4
Определим N
5
Определим количество вещества
6
Определим 
7
Определим 
Задача
12
В
реакторе идеального смешения периодического действия (РИС-П) проводится
изотермическая реакция: 
. Реактор заполнен
чистым веществом А, мольная масса М которого 110 
.
Плотность вещества 
.
Степень превращения вещества 
. Константа
равновесия 
.
Продолжительность вспомогательных операций 
. Объём реактора 
; степень заполнения реактора исходным
реагентом 
.
Определить
продолжительность реакции 
, производительность
реактора 
и количество вещества А, подвергнутого
превращению в 1 реактора за 1
, то есть интенсивность реактора I.
Рисунок
8 – Схема расчёта
1
Определим начальную концентрацию реагента А:
;
.
2
Определим продолжительность химической реакции:
;
.
3
Определим производительность реактора:
,
где
;
.
4
Определим интенсивность реактора:
;
.
Задача
13
Определить
объём РИВ (
) для гомогенной реакции: 4А R+6S.
; 
; 
; 
.
Мольный
расход 
.
Примечания:
1
Реакция протекает с изменением объёма, 
нужно
учесть 
.
2
Считать, что реакция протекает по первому порядку
;
(
);
;
;
Отношение
объемов определяется по формуле [1. стр. 22]
где
β- доля стехиометрической смеси, исходных реагентов в исходной смеси.
εА=0,25-1=-0,75;
Задача
14
Рассчитать
максимальный секундный расход (мольный расход) вещества А при соблюдении
следующих условий:
1
В изотермическом РИС-Н проводится обратимая экзотермическая реакция
А
R+6200 кДж/кмоль.
2
При оптимальной температуре 49 
степень превращения 
составляет 60 %.
3
Для создания изотермических условий используется погружной водяной холодильник
с поверхностью теплообмена 
.
4
Коэффициент теплопередачи 
.
5
Температура на выходе из холодильника составляет 
.
1
Составим тепловой баланс для изотермического реактора:
или 
,
Где
2
Выражаем из уравнения теплового баланса мольный расход:
;
(0,012).
Задача
15
Рассчитать
длину труб теплообменника для осуществления процесса, описываемого ниже.
В
реакторе полупериодического действия проводится реакция взаимодействия в жидкой
фазе продукта А с концентрацией 25 масс.% с первоначально загруженным в
количестве 500 л продуктом В с концентрацией 38 масс.%.
Скорость
подачи реагента А составляет 6,23 . Температура на
входе 25. Плотность раствора 
.
Тепловой эффект реакции 5000 
. Для проведения
реакции следует поддерживать температуру 
, что достигается с
помощью теплообменника, диаметр трубок которого d=250
. Расход хладоагента должен быть таким,
чтобы его температура не превысила 25. Коэффициент
теплопередачи 
.
Теплоёмкость смеси реагентов 
.
Рисунок
9 - Схема расчёта
1
Составим тепловой баланс реактора
=0.
(
); 
;
;
; 
;
.
2
Определим начальную концентрацию компонента А
;
.
3
Определим поверхность теплообмена:
;
(),
Выбираем
одноходовой кожухотрубчатый теплообменник (n=37,
d=259 ).
Выразим
длину трубок теплообменника из следующего соотношения:
,
Откуда
;
.
Задача
16
Определить
температуру нагревания реагента А на входе в РИС-Н адиабатически при
осуществлении необратимой экзотермической реакции А R.
Тепловой
эффект химической реакции 
.
Степень
превращения .
Температура
проведения реакции 
.
Теплоёмкость
.
1
Составим тепловой баланс реактора:
,
Где
.
2
Выразим из последнего выражения 
:
;
.
Задача
17
Определить
количество теплоты, которое необходимо отводить в РИС-Н при проведении в нём
обратимой экзотермической реакции А+B R+18000, с тем, чтобы обеспечить максимальную
степень превращения реагента А(
).
Температура
реакционной смеси на входе в реактор 
.
Теплоёмкость
.
Известна
также экспериментальная зависимость, представленная в таблице 6.
Таблица
6 – Экспериментальная зависимость степени превращения от
температуры Т
|
|
5
|
15
|
25
|
35
|
40
|
42
|
45
|
55
|
65
|
|
|
0,18
|
0,31
|
0,46
|
0,56
|
0,58
|
0,60
|
0,59
|
0,49
|
0,38
|
1
Из экспериментальной зависимости, представленной в таблице 6, видно, что
максимальная степень превращения реагента А достигается только при температуре
реакционной смеси, равной 42 . Для этой
температуры и будем производить все дальнейшие расчёты.
2
Принимаем, что реактор работает в политропическом режиме
3
Составим уравнение теплового баланса для реактора, работающего в
политропическом режиме:
;
.
.
преобразуем последнее
выражение к следующему виду:
,
Откуда
;
Следовательно,
режим работы реактора должен быть адиабатическим.
Задача
18
Определить
объёмные расходы реагентов
и 
в РИС-Н при проведении реакции А+В=R+S. Объём РИС-Н
л; 
;
; 
;
;
.
1
Составим алгоритм расчёта:
Рисунок
10 – Схема расчёта
2
Определим начальные концентрации компонентов А и В в смеси:
Принимаем
;
;
;
;
3
Определим концентрации реагентов А и В в реакционной смеси:
,
Откуда
;
;
,
Откуда
;
;
;
;
;
.
4
Определим скорость химической реакции:
;
.
5
Определим время пребывания реакционной смеси в аппарате:
;
(1
200 000 с).
6
Определим объёмные расходы реагентов А и В:
;
;
;
.
Задача
19
Скорость
превращения в реакции А 2R
описывается кинетическим уравнением первого порядка 
.
Вычислить
среднее время пребывания реагирующей смеси, необходимое для достижения в К-РИС из четырёх реакторов (N=4).
Какое
время пребывания реакционной смеси потребовалось бы для достижения такой же
степени превращения в РИС-Н?
1
Определим среднее время пребывания реагирующей смеси в К-РИС:
,
где
- время пребывания реагирующей смеси в
одном реакторе.
;
(
),
(
).
2
Определим среднее время пребывания реагирующей смеси в РИС-Н:
, так как в данном
случае N=1,
;
(
).
Задача
20
Определить
объём реактора идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н), каскада
реакторов идеального смешения (К-РИС), реактора идеального вытеснения (РИВ),
при проведении реакции второго порядка: 2А R+S.
Условия:
1
Начальная концентрация 
;
2
Константа скорости химической реакции 
;
3
Степень превращения 
;
4
Первоначальный расход смеси 
Примечание:
объём реакционной смеси на протяжении всей реакции остаётся постоянным.
1
Определим время пребывания реакционной смеси в реакторе идеального смешения и
его объём:
;
;
;
.
2
Определим время пребывания реакционной смеси в реакторе идеального вытеснения и
его объём:
;
;
;
.
3
Для каскада реакторов идеального смешения принимают, что все секции имеют
одинаковый объём, причём
.
.
Построим
зависимость скорости химической реакции от концентрации:
;
Так
как
, 
;
Например,
Построение
продолжается до тех пор, пока не будет обеспечена заданная степень превращения,
то есть при выполнении следующего условия:
;
.
Дробного
числа секций быть не может, принимаем число
секций равным 4, причём четыре секции дают степень превращения больше, чем
требуется по условию.
;
;
.